ESR-鈾系聯合分析與等時線法結合在考古遺址化石測年中的應用探索

韓 非 Jean-Jacques Bahain 尹功明 劉春茹

1（中國地震局地質研究所 地震動力學國家重點實驗室 北京 100029）

2（法國國家自然歷史博物館史前部，1, rue René Panhard 75013, Paris, France）

考古遺址年代學研究中，動物化石通?？商峁┹^明確的地層年代信息。ESR-鈾系聯合法對化石進行測年是目前最可行的化石測年手段之一[1]，這種方法通過分析化石中的鈾同位素活度比，對樣品中鈾的遷移歷史進行定量重建，從而基本解決了化石樣品體系不封閉的問題?；疎SR測年中的另一個主要誤差來源是樣品的外部劑量率，由樣品周圍沉積物貢獻的β和γ劑量率組成。由于化石樣品在埋藏過程中，其周圍沉積物中的水含量及地球化學環境隨時間發生變化，所以，實驗室或野外實測樣品外部劑量率很可能不同于樣品實際經歷的平均外部劑量率（外部劑量率的年平均值）。另外，在一些沉積環境比較復雜或地層出土遺物較豐富的地點，采用手持γ能譜或TL劑量片測定的結果也無法準確反映樣品的真實外部劑量率[2]。Blackwell等[3]提出利用等時線技術來解決化石樣品外部劑量率的問題。這種方法是對經歷了相同外部劑量的多個樣品進行分析，由于不同樣品的內部劑量（化石內部不同牙組織貢獻的α和β劑量率之和）存在差異，所以可對樣品的古劑量和內部劑量率作圖得到一條等時線，通過這條等時線的斜率得到樣品的年代。在等時線化石測年中，真實的外部劑量只有在樣品中鈾的吸收過程被準確重建的前提下才能獲得，通過將 ESR-鈾系聯合分析與等時線方法相結合可解決化石樣品內部劑量率和外部劑量率兩方面的不確定性。本文嘗試采用這種聯合方法對重慶巫山龍骨坡古人類遺址文化層中采集的哺乳動物化石進行年代學研究，并探討該測年方法中的一些問題及未來應用于其他考古地點的可行性。

1 方法介紹

1.1 ESR-鈾系聯合法

電子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)測年是基于測量礦物晶格中的自由電子和空穴隨時間的不斷累積量進而測定樣品年代的一種物理方法。鈾系測年方法是通過測定樣品中鈾系衰變子體與母體的比值來計算樣品年齡。樣品在埋藏過程中接受的來自內部和外部的總劑量稱為古劑量，它是年劑量隨時間的積分函數。由于牙齒中有機質的分解作用形成的還原環境使周圍環境中的鈾元素被牙齒化石吸附，如何表示這一吸附過程對于計算牙齒樣品的內部劑量率十分關鍵。早期研究曾提出過早期吸收模式(EU)和線性吸收模式(LU)兩種鈾的吸收模式：EU模式認為鈾是在牙齒埋藏初期的短時間被快速吸收的，之后不再有鈾的加入或析出[4]；而LU模式則認為鈾加入牙齒是一個勻速吸收的過程[5]。兩種模式都不能全面客觀的反映鈾在牙齒樣品中的實際遷移過程，從而影響了ESR牙齒測年的可靠性。ESR-鈾系聯合測年法通過ESR方法對牙琺瑯質的測量分析計算樣品的古劑量，為測年提供計算年劑量所需的234U/238U與230Th/234U同位素比值等中間數據。該方法通過引入參數p表示樣品中鈾的吸收過程[6]，其公式表示為：

其中，U(t)表示樣品在任一時刻 t的鈾含量；U0表示樣品當前的鈾含量；T表示樣品年齡。

這個方法中的參數p與樣品年齡T是通過計算同時求出的。從式(1)看出早期ESR牙齒測年中采用的EU和LU模式只是p值的兩種特例：p = ?1 (EU模式)和p = 0 (LU模式)，而當p>0時，反映了另外一種可能的鈾吸收過程：RU模式。對一些考古遺址的化石樣品研究發現，這種鈾的近期吸收過程是客觀存在的[7,8]。本研究采用的是通過吸收參數p來表征鈾加入過程的 ESR-US模式[6]，在不存在鈾析出情況下，該模式更準確描述鈾的加入歷史。而應用該模式計算樣品年齡需進行ESR-鈾系聯合分析。

由于 ESR-鈾系聯合測年法中反映鈾吸收模式的 p值是由 ESR測定的古劑量和鈾系方法測定的238U/234U和230Th/234U比值共同計算得出的，避免了對鈾吸收過程的人為假設，所以得到的化石樣品年齡更真實可靠。

1.2 等時線技術

等時線技術最早應用于Rb-Sr測年，Blackwell等[3]嘗試采用等時線法對法國 Bau de l’aubesier考古地點的化石樣品進行分析，得到等時線ESR年齡結果與鈾系測年結果一致。這種方法是將一顆牙齒化石分為若干個子樣品，并認為它們所經歷的外部劑量相同。由于各子樣品的鈾含量不同，內部劑量不同，使各自的總劑量（即古劑量）也不同。通過樣品的古劑量對內部劑量率作圖，如得到一條正相關的直線，那么其在Y軸上的截距為樣品的外部劑量，其斜率則代表了樣品的年齡。ESR測年等時線法的基本原理由式(2)表示：

其中，DE為等效劑量（古劑量）；DINT為內部劑量；DEXT為外部劑量；Dint為內部劑量率；Dext為外部劑量率；Cu(p,t)為樣品鈾含量（與鈾吸收參數p和時間t相關的函數）；Dα為α劑量率；Dβ為β劑量率；T為樣品年齡。

牙齒化石 ESR等時線測年法雖然可解決化石樣品的外部劑量率問題，但是由于作者在樣品內部劑量率的計算中一直沿用EU和LU兩種人為假設的鈾加入模式，所以采用等時線方法得出的仍然是樣品的EU和LU年齡，而這兩種特定的加入模式并不能客觀的反映鈾真實的加入過程，目前已不被學術界接受[9]。

通過將等時線技術與 ESR-鈾系聯合分析方法相結合，同時解決ESR測年中牙齒化石樣品內部劑量率和外部劑量率兩方面的不確定性問題，是一種從理論上可行的化石測年手段。由于樣品分析和年代計算過程較復雜，尚未有該方法成功應用的報道。本研究在前人對ESR等時線法和ESR-鈾系聯合測年法兩種方法的研究基礎上，對將兩種技術方法相結合應用于化石測年進行了探索和嘗試。

2 研究對象和實驗方法

本研究中 5顆動物牙齒化石樣品來自2003?2006年龍骨坡遺址中法聯合野外考古發掘，均采集自靠近遺址北側巖壁的C’III 6考古層，其中除樣品LGP0603為鬣狗牙齒外，其余4顆均為食草動物臼齒(表1)。樣品分布在G2b和G2c兩個相鄰探方區域[10]，沉積環境相同，所以可認為5個樣品的年代基本相同且經歷了相同的外部劑量。

表1 研究化石樣品類型及位置信息Table 1 The species and location information of studied fossil samples.

樣品中不同牙組織采用醫用牙科工具進行機械分離，具體處理過程和 ESR測量實驗條件見文獻[11]。樣品古劑量擬合采用雙飽和指數函數，與傳統的單飽和指數函數相比，雙指數擬合函數對早更新世地點化石琺瑯質樣品輻照劑量點的擬合效果更好[11]。在2006年遺址發掘期間，我們對C III’6考古層中5個樣品所在的探方區域進行了野外γ環境劑量率的測量，測量采用的是美國 Ortec公司的 μ Nomad型手持γ譜儀，配有NaI探頭并進行了嚴格標定[12]。還同時采集了化石樣品周圍的沉積物樣品，并用γ能譜進行了實驗室U、Th和K同位素含量分析，用來計算樣品的外部β劑量率。

3 分析和計算過程

對化石樣品的ESR-鈾系聯合分析顯示，5顆樣品均經歷了鈾的近期吸收過程，其鈾吸收參數p介于1.0?5.0，這一鈾吸收過程很可能與遺址在中晚更新世階段被角礫堆積覆蓋導致濕潤期地層中水體的淤滯有關[8]。表 2列出 5個樣品的古劑量和采用DATA計算程序計算出的樣品內部劑量率[1,13]，其中5個樣品中α和β輻射貢獻的內部劑量率在總劑量率中所占的百分比均未超過40%，可見外部劑量率大小對龍骨坡化石樣品年代計算結果的影響十分關鍵。有鑒于此，我們采用等時線法對這5顆化石樣品進行了年代和外部劑量率的計算分析，具體計算過程如下。

(1) 以野外 γ劑量率實測值(850 μGy/a)為初始外部γ劑量率，用ESR-US模式分別計算5個樣品中琺瑯質與牙本質中 α與 β射線貢獻的內部劑量率，將其作為X軸，對應的古劑量為Y軸。通過5個樣品數據點進行線性擬合得到一個等時線(圖1a)，樣品的外部γ劑量和年代分別為直線在Y軸上的截距和直線的斜率。兩者之比為樣品的平均外部γ劑量率Dext1。

(2) 將Dext1帶入ESR-US模式計算程序進行迭代運算（第一次迭代），根據計算出的α與β劑量率及樣品的古劑量再次做等時線圖(圖1b)，通過回歸直線的截距和斜率再次得到一個平均外部γ劑量率Dext2。

(3) 將Dext2再次帶入進行第2次迭代計算，得到平均外部劑量率Dext3(圖1c)。

重復步驟(3)進行多次迭代計算，直至[Dext]i+1≈[Dext]i。

圖1顯示采用實測野外γ劑量率作為初始外部劑量率進行等時線計算得到的外部劑量和等時線年齡及由這兩個值計算得出的平均外部劑量率。

表2 化石樣品ESR-鈾系聯合分析數據Table 2 ESR/U-series analysis data of fossil samples.

圖1 龍骨坡化石樣品等時線年齡計算過程(a) 初始外部劑量率850 μGy/a (野外實測值)；(b) 外部劑量率798 μGy/a (由圖1a等時線計算得出)；(c) 外部劑量率809 μGy/a(由圖1b等時線計算得出)Fig.1 The isochron age calculation process of Longgupo samples.(a) initial external dose rate: 850 μGy/a (in situ); (b) external dose rate: 798 μGy/a (calculated from Fig.1a);(c) external dose rate: 809 μGy/a (calculated from Fig.1b)

為檢驗等時線法中初始外部劑量率對年代計算結果的影響，本實驗嘗試用不同的初始外部劑量率計算樣品的平均外部劑量率，具體過程如下：

(1) 選取 400、500、600、700、800、900和 1000 μGy/a為初始外部劑量率分別計算樣品的等時線年齡和平均外部劑量率Dext1’。

(2) 取 7個平均外部劑量率的平均值作為初始外部劑量率進行迭代計算（第1次迭代），得到平均外部劑量率Dext2’。

重復步驟(2)直至計算得到的平均外部劑量率[Dext’]i+1=[Dext’]i。

表3列出選用不同初始外部劑量率計算樣品等時線年齡過程中的中間量和最終結果。

表3 采用不同初始外部劑量率計算樣品等時線年齡過程數據Table 3 The data of isochron age calculation with different initial external dose rates.

4 結果與討論

本研究采用野外實測γ劑量率第一步計算得到的外部劑量為 1419.7±49.9 Gy，5個樣品的等時線年齡為1.78±0.09 Ma，前者與后者的比值得到的平均外部劑量率為797.6 μGy/a；第一步迭代計算得到的外部劑量為 1431.5±48.3 Gy，等時線年齡為1.77±0.09 Ma，平均外部劑量率為 808.8 μGy/a。第二步迭代計算得到的外部劑量為1429.5±50.0 Gy，等時線年齡為 1.77±0.09 Ma，平均外部劑量率為807.6 μGy/a，該計算結果與上步代入計算的劑量率僅相差1 μGy/a，可認為該值能代表樣品在埋藏過程中經歷的平均外部劑量率。

用不同的外部劑量率為劑量率初始值進行計算時，第一步得到的平均外部劑量率平均值為 901.4 μGy/a，第二步迭代計算得到的平均外部劑量率為849.3 μGy/a，由于該值與野外實測的γ劑量率(850 μGy/a)基本相同，所以最終的等時線年齡計算結果同樣為 1.77±0.09 Ma。

雖然本研究成功利用等時線解決了樣品外部劑量率不確定性的問題，但在應用等時線方法時需滿足以下條件：

(1) 保證化石樣品(≥5個)均出自同一層位且都經歷了相同的外部劑量，這是使用等時線方法的基本假設前提。

(2) 被分析的樣品經歷了相近的鈾加入過程，樣品中的鈾加入歷史反映了樣品在埋藏過程中沉積環境的地球化學變化過程，相近的鈾加入過程說明樣品經歷的外部環境變化也基本相同，所以才有理由認為它們的外部劑量率相同。

(3) 各樣品內部劑量率大小有一定區分度，也就是說每個樣品的鈾應有一定差異，這樣在擬合等時線時才能保證擬合的精度。

(4) 化石樣品的結構組成應相同（e.g. 沉積物(S)/琺瑯質(E)/牙本質(D)），化石樣品在埋藏過程中的保存條件不盡一致，所以牙組織的組成結構可能會不同。不同的組成結構會對應用等時線造成困難。本研究采用的牙齒樣品均只包含牙琺瑯質和牙本質兩者牙組織，所以客觀上也為等時線法創造了條件。

由上述適用條件，采用等時線法存在一些技術難點，首先是獲得理想的化石樣品有一定難度；其次樣品處理及實驗分析工作量大；另外本研究中沒有把樣品內部劑量率和古劑量的誤差代入等時線的擬合計算，所以等時線年齡的誤差會小于計算單個樣品年齡產生的誤差，由于等時線法需對若干樣品進行多次迭代計算，計算量較單獨計算一個樣品的ESR-US模式年齡大很多，鑒于本文主要闡述該方法的原理和計算過程，故對該方法的誤差計算部分將在今后工作中予以進一步補充和完善。

5 結語

將 ESR-鈾系聯合分析與等時線技術相結合可解決牙齒化石樣品 ESR測年中內部劑量率和外部劑量率的問題。目前單獨采用ESR-鈾系聯合法[14?16]或等時線法[3,17]測定化石年代的實例已屢見不鮮，但將兩種方法結合的測年應用尚未見有文獻報道。本文對此進行了探索和嘗試，希望通過對該測年方法體系的不斷完善為我國舊石器考古遺址提供一種更可靠的年代學研究手段。

致 謝 中國科學院古脊椎動物與古人類研究所侯亞梅研究員與巴黎十大Eric Bo?da教授為本研究提供了測年化石樣品，香港大學李盛華教授對本研究工作提出了建議，在此一并表示由衷感謝。

1 韓非, 尹功明, 劉春茹, 等. ESR-鈾系法牙齒化石測年及其在中早更新世考古遺址年代學研究中的應用[J].核技術, 2011, 34(9): 651?657 HAN Fei, YIN Gongming, LIU Chunru, et al. Tooth fossil dating with combined ESR/U-series methods for studying Middle-Early Pleistocene archaeological sites[J].Nuclear Techniques, 2011, 34 (9): 651?657

2 Han F, Falguères C, Bahain J J, et al. Effect of deposit alterations on the dating of herbivorous teeth from Arago cave by the ESR–U-series method[J]. Quaternary Geochronology, 2010, 5: 376?380

3 Blackwell B, Schwarcz H. ESR isochron dating for teeth:A brief demonstration in solving the external dose calculation problem[J]. Applied Radiation and Isotopes,1993, 44: 243?252

4 Seitz M G, Taylor R E. Uranium variations in a dated fossil bone series from Olduvai Gorge, Tanzania[J].Archaeometry, 1974, 16: 129?135

5 Ikeya M. A model of linear uranium accumulation for Electron-spin-resonance age of Heidelberg (Mauer) and Tautavel bones. Japanese Journal of Applied Physics Part 2-Letters, 1982, 21: L690?L692

6 Grün R, Schwarcz H P, Chadam J. ESR dating of tooth enamel-Coupled correction for U-uptake and U-series disequilibrium[J]. Nuclear Tracks and Radiation Measurements, 1988, 14: 237?241

7 Falgueres C, Bahain J J, Perez-Gonzalez A, et al. The Lower Acheulian site of Ambrona, Soria (Spain): ages derived from a combined ESR/U-series model[J]. Journal of Archaeological Science, 2006, 33: 149?157

8 Han F, Bahain J J, Bo?da é, et al. Preliminary results of combined ESR/U-series dating of fossil teeth from Longgupo cave, China[J]. Quaternary Geochronology,2012, 10: 436?442

9 Grün R. The relevance of parametric U-uptake models in ESR age calculations[J]. Radiation Measurements, 2009,44: 472?476

10 Bo?da é, Griggo C, Hou Y M, et al. Données stratigraphiques, archéologiques et insertion chronologique de la séquence de Longgupo[J].L'Anthropologie, 2011, 115: 40?77

11 韓非, 尹功明, Bahain J J, 等. ESR牙齒琺瑯質測年中不同擬合函數對古劑量測定的影響[J]. 核技術, 2011,34(2): 116?120 HAN Fei, YIN Gongming, Bahain J J, et al. The influence of different fitting functions on paleodose determination in ESR dating of tooth enamel – Taking Longgupo tooth fossils as an example[J]. Nuclear Techniques, 2011, 34(2):116?120

12 王同利, 陳杰, 雷生學, 等. 野外就地測量便攜式NaI(Tl) γ譜儀的初步標定及花崗巖標定臺的建立[J].核技術, 2008, 31: 137?141 WANG Tongli, CHEN Jie, LEI Shengxue, et al.Calibration of field ORTEC MicroNomad gamma-ray spectrometer for establishing a granite calibration block[J].Nuclear Techniques, 2008, 31: 137?141

13 Grün R. The DATA program for the calculation of ESR age estimates on tooth enamel[J]. Quaternary Geochronology, 2009, 4: 231?232

14 Grün R, Huang P H, Huang W P, et al. ESR and U-series analyses of teeth from the palaeoanthropological site of Hexian, Anhui Province, China[J]. Journal of Human Evolution, 1998, 34: 555?564

15 Falguères C, Bahain J J, Yokoyama Y, et al. Earliest humans in Europe: the age of TD6 Gran Dolina,Atapuerca, Spain[J]. Journal of Human Evolution, 1999,37: 343?352

16 Yin G M, Bahain J J, Shen G, et al. ESR/U-series study of teeth recovered from the palaeoanthropological stratum of the Dali Man site (Shaanxi Province, China)[J].Quaternary Geochronology, 2011, 6: 98?105

17 Blackwell B A B, Leung H Y, Skinner A R, et al.External dose rate determinations for ESR dating at Bau de l’Aubesier, Provence, France[J]. Quaternary International, 2000, 68?71: 345?361